Definition af tyngdekraft: Kan brede binære filer være en endelig test af modificerede Newtonske teorier om tyngdekraft?

Titel: Wide Binaries of GAIA EDR3: Favoriserer GR frem for MOND?

Forfattere: Charalambos Pittordis, Will Sutherland

Første forfatters institution: School of Physical and Chemical Sciences, Queen Mary University of London

Status: Indsendt til Open Journal of Astrophysics; arXiv E-Print [open access]

Et af de største mysterier i astrofysik og kosmologi i dag er mørkt stof; en hypotetisk form for stof, der er fuldstændig usynlig for lys (eller enhver form for elektromagnetisk stråling for den sags skyld), deraf navnet. Mørkt stof menes at eksistere, fordi observationer af massive strukturer i universet (især galakser) viser, at de dannes, roterer, bevæger sig og udvikler sig, som om de indeholdt meget mere masse, end det lys, vi ser fra modtage dem, er synligt. De antyder især, at omkring 85 % af stoffet i universet er mørkt stof. Denne type stof ville være helt anderledes end almindeligt stof, måske opbygget af nye, uopdagede elementarpartikler.

Mens størstedelen af ​​det astronomiske samfund accepterer mørkt stof som den bedste løsning for disse observationer af universet, efterlader manglen på direkte beviser for mørkt stof eller en ubestridelig kandidatpartikel plads til andre forklaringer, der ikke involverer nye typer stof. En af de mere populære forklaringer på ikke-mørkt stof argumenterer for eksempel for at ændre vores forståelse af Newtons tyngdekraft ved de ekstremt små accelerationsskalaer, der mærkes under galaktisk rotation. Dette ville være analogt med udviklingen af ​​kvantefysik, der ændrer vores forståelse af fysik på små måleskalaer. Sådan en teori omtales ofte som “Modified Newtonian Dynamics” – eller MOND. Men MÅNEN er i øjeblikket en mindre accepteret hypotese end mørkt stof, fordi der er mange observationer, som MÅNEN ikke kan forklare så godt som mørkt stof, blandt andre åbne problemer.

Dagens papir antyder, at observationer af store binære stjerner fra GAIA-satellitten kunne muliggøre en test, der adskiller mørkt stof fra MOND-forudsigelser.

Tvillingstjerner, tvillingeteorier

Forfatterne til denne artikel postulerer, at store binære systemer med interstellare afstande større end 7000 AU har kredsløbsaccelerationer, der er lave nok til, at de ville falde under grænsen, hvor MOND-effekter ville kunne ses, mens de også forbliver små nok til, at der ikke ville være nogen væsentlig mængde mørkt stof mellem stjernerne. På denne måde kunne stjernernes kredsløbshastigheder beregnes ved hjælp af simpel Kepler-dynamik og sammenlignes med forudsigelserne fra modificerede gravitationsmodeller.

Præcisionen af ​​GAIA-satellitten og dens seneste DR3-dataudgivelse kunne muliggøre observationer nøjagtige nok til at skelne MOND-effekter. Mens brede binære filer kredser langsomt nok til at hvert enkelt system ikke kan modelleres perfekt, kan en statistisk stor prøve af de relative hastigheder af brede binære filer sammenlignes med resultater fra simuleringer (forudsat at de binære filer har tilfældige faser og hældninger).

For at gøre dette valgte forfatterne brede binære filer fra den tidlige GAIA EDR3-datafrigivelse inden for 300 procent af solsystemet (da den fulde DR3-udgivelse ikke var udkommet, da denne artikel blev skrevet), samt yderligere kvalitetsbeskæring omkring data fra brønde – begrænsede observationer langvejs fra for at opnå binære stjerner, hvis relative hastigheder kunne måles nøjagtigt. Hastighedsfordelingerne af disse udvalgte stjerner er vist i figur 1. Ved første øjekast ser langt de fleste stjerner ud til at være inden for grænserne for Newtonske hastigheder, men med større kredsløbsadskillelser overskrider flere og flere stjerner denne grænse. Dette kan skyldes forurening fra mulige tredobbelte stjernesystemer og stjernernes forbiflyvninger, dårlige begrænsninger eller andre effekter… som MOON.

illustration 1: Et diagram, der repræsenterer GAIA EDR3 brede binære filer, der bruges i arbejdet. X-aksen er afstanden mellem stjernerne i det binære system på en logaritmisk skala, og y-aksen repræsenterer forholdet mellem den relative hastighed af stjernernes kredsløb på himlen i forhold til den, der er forudsagt af Newtons tyngdekraft. linje repræsenterer repræsenterer, når den målte hastighed er kvadratroden af ​​to gange den newtonske hastighed for at tage højde for det faktum, at himlens hastighed er en 2D-projektion af det binære systems reelle 3D-hastighed ind i himlen. Figur 3 i papiret.

Ved hjælp af de udvalgte binære filer udførte forfatterne derefter simuleringer af omkring fem millioner brede binære baner med tilfældige værdier af semimajor akse og orbital excentricitet både under Newtonsk gravitation og under en bestemt modificeret gravitationsmodel og sammenlignede deres resultater med observationerne.

EN MÅNE af beviser?

Når først tredobbelte stjernesystemer og stjernernes forbiflyvninger blev taget højde for, viste chi-kvadrattests endegyldigt, at Newtonske gravitationsmodeller viste bedre tilpasninger til observationsdataene end den testede MOND-model, uanset den anvendte excentricitetsfordeling. Især MOND-modellen forudsagde, at meget bredere binære filer ville have målt hastigheder mellem 1 og 1,5 gange Newton, hvilket dataene ikke viste, som det ses i figur 2.

figur 2: Histogrammer af de observerede GAIA-hastighedsdata (i rødt) overlejret med tilpasninger til hastighedsfordelingen af ​​Newton- og MOND-tyngdekraftsbinærerne (i grønt). Kortene er blevet opdelt i fire sektioner for hver model baseret på adskillelsen mellem stjernerne i binæren. Ved hastigheder fra 1 til 1,5 gange Newtons hastighed afviger MOND-modellen (nedenfor) meget mere fra dataene end den Newtonske model (ovenfor). Figur 22 og 23 i værket.

Forfatterne advarer om, at disse resultater kan blive påvirket af forkert modellering af disse tripletsystemer og forbiflyvninger, eller af det faktum, at den reelle brede binære population muligvis ikke er tilfældig og ukorreleret med hensyn til stjernernes masser, hældninger og excentriciteter, som deres simuleringer antyder. var. På trods af disse forbehold tvinger datatilpasningen imidlertid forfatterne til den foreløbige konklusion, at observationerne viser en klar præference for den Newtonske model frem for den testede MOND-model med en høj grad af formel betydning.

Forfatterne udtrykker også store forhåbninger til den fremtidige udvikling af denne type test. Med efterfølgende GAIA-datafrigivelser, større observationsprøvestørrelser og mere begrænsede modeller og simuleringer kan observationer af fjerne binære filer og deres baner være meget interessante udsigter til kritisk test af modificerede gravitationsmodeller. Derfor planlægger de at udvide disse muligheder i det fremtidige arbejde.

Astrobit redigeret af Roel Lefever

Kredit for udvalgte billeder: Den Europæiske Rumorganisation

Om Aldo Panfichi

Hej! Jeg er i øjeblikket en aspirerende 2. års masterstuderende i fysik ved Pontificia Universidad Católica del Peru i Lima, Peru, hvor jeg skal arbejde på et specialeprojekt relateret til asteroider. Før det tog jeg min BSc i astronomi og astrofysik på University of Chicago. I min fritid nyder jeg at bruge tid sammen med mine venner (og mine hunde!), gå ture om sommeren og hygge inde om vinteren, spille spil eller læse sci-fi.

Leave a Comment

Your email address will not be published.